Inferring epidemiology and microevolution of Mycobacterium tuberculosis strains from deep-sequencing data of patient samples

Abstract

Tuberculosis, caused by the intracellular pathogen Mycobacterium tuberculosis is an infectious disease that remains a global public health problem where approximately one-third of the world population have been at least in contact and is latently infected with. Whole genome sequencing has revolutionized the investigation of mycobacterial genomes. The application of this technology has provided innovative understandings into the evolution of the Mycobacterium tuberculosis due to recent studies reporting conflicting findings on its genomic stability, particularly during the evolution of drug resistance in modern lineages. To address this question we focused on understanding the genotypic and epidemiological factors that influence the spread and fitness of this bacterium by analyzing deep –sequencing data of 85 patient samples from Central Asia. Samples were part of a larger study of 399 clinical isolates of newly diagnosed patients with pulmonary TB collected between 2012 and 2013 at the NCTLD in Tbilisi, Georgia. All the samples were mapped against H37Rv strain. We focused on single-nucleotide polymorphisms to reconstruct models for molecular evolution, using Maximum Likelihood and Bayesian Inference methods. 84% of our population belongs to the Beijing lineage, associated with the massive spread of multidrug-resistant strains. Relationship between mutations on rpoB and rpoC were associated with drug resistance to rifampicin and mutations on pncA region also demonstrated to be related with drug resistance to pyrazinamide. Furthermore we found that the amount of variation accumulated within a patient can be as high as that observed between patients along, what we assume to be, a chain of transmission. Intrapatient diversity was found in all of the follow up patients. Our study adds new data to the understandings of the variability among Mycobacterium tuberculosis strains in an intra and interpatient microevolution scenario.

A Tuberculose provocada pelo agente patogénico intracelular Mycobacterium tuberculosis é uma doença infeciosa que continua a ser um dos maiores problemas de saúde global, estimando-se que aproximadamente um terço da população tenha estado em contacto e esteja infetada de forma latente. Whole genome sequencing surgiu como um método revolucionário da investigação de genomas de micobactérias. A sua aplicação têm proporcionado conhecimentos inovadores relativamente à evolução da Mycobacterium tuberculosis devido a estudos recentes que reportam resultados contraditórios sobre a sua estabilidade genómica, particularmente durante a evolução da sua resistência a antibióticos em linhagens consideradas modernas. Para abordar esta questão, focámo-nos na análise e compreensão dos fatores genotípicos e epidemiológicos que influenciam a capacidade de disseminação e o fitness desta bactéria através da análise de dados deep-sequencing provenientes de amostras de 85 pacientes provenientes da Ásia Central. As amostras pertencem a um estudo maior composto por 399 isolados clínicos de pacientes recentemente diagnosticados com tuberculose pulmonar recolhidas entre 2012 e 2013 no National Center of Tuberculosis and Lung Diseases (NCTLD) em Tbilisi, Geórgia. Todas as amostras foram mapeadas contra a estirpe H37Rv. Para a reconstrução de modelos de evolução molecular, focámo-nos apenas em single-nucleotide polymorphisms e utilizámos dois métodos distintos, Maximum Likelihood e Bayesian Inference. Cerca de 84% da nossa população pertence à linhagem Beijing, associada com a propagação em massa de estirpes resistentes a múltiplos antibióticos. Além disso, as mutações no rpoB e rpoC foram associadas à resistência a rifampicina e mutações na região pncA também demonstraram estar relacionadas com a resistência à pirazinamida. Verificou-se ainda que a quantidade de variabilidade genética acumulada dentro de um paciente pode ser tão alta quanto a observada entre pacientes ao longo, do que supomos ser, uma cadeia de transmissão. Todos os pacientes que foram acompanhados durante tratamento apresentaram variabilidade genética. O nosso estudo acrescenta novos dados relativamente à variabilidade entre diferentes estirpes de Mycobacterium tuberculosis tendo em conta um panorama de microevolução intra e inter paciente.